金刚石单线切割设备及切割技术

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1、半导体材料生长、加工设备MATERIAL金刚石单线切割设备及切割技术王仲康，杨生荣（中国电子科技集团第四十五研究所）摘要：本文着重介绍了金刚石单线切割机的发展技术背景，并就中国电子科技集团公司第四十五研究所基于金刚石线切割自主研发的JXQ-401单线切割机详细的介绍，性能特点，关键技术以及切割工艺实验分析，就金刚石线切割机理分析以及应用进行了初步的探讨。关键字：恒张力控制切断切方曲线切割1.整机概括介绍设备性能参数JXQ-401单线切割机主要用于碳化硅、蓝宝石等脆硬材料序号名称指标的分切。该产品由中国电子科技集团公司第45

2、研究所自主研发1切割晶体最大尺寸110mm×110mm设备，具有4项发明、3项实用新型专利，切割晶片最薄厚度可2摆动角度±6°（可设）3摆动频度（次/分钟）6-30达180μm。与传统游离态多线比较，具有节能环保，切割厚度4切割线最大线速度1000m/min可任意设定，同时具有切方、切断，异形曲面切割等功能。5切割线类型金刚石单线6碳化硅（2）切片TTV≤25µm7碳化硅晶片表面粗糙度Ra≤1.6µm2.技术背景传统上一般晶锭切成片状的方式是内圆切割，这种切片机的刀片刃口厚度在0.28～0.35mm之间，加工效率较低，材料

3、损耗大，出片率低、加工晶片表面质量较低,难以加工硬度大、脆性高以及耐磨性好的材料。并且随着晶圆直径的增大和第三代半导体材料的出现，内圆锯片加工受到其本身结构的限制使得切片切割过程逐渐困难，所以内圆锯片的加工方式在第三代半导体材料和大直径大批量晶片生产中逐渐被边缘化。上个世纪九十年代发展起来的线切割技术的成熟应用,成功地满足了大片径、低损耗和相对较高表面质量的晶片切割需要。线切割晶圆技术刚开始是运用游离磨粒的方式，也就是利用线带动游离磨粒，使在工件和线中间的磨粒对工件进行磨图1整机302010.03万方数据半导体材料生长、加

4、工设备MATERIAL削切割。但是游离磨粒的缺点在于，因为磨粒和工件实际接触脆材料切割设备，具有切割线张力稳定（张力波动小于±1N）、到的面积较小，造成材料移除率较小，所以需要较长的加工时切片表面粗糙度Ra可达0.3μm等技术特点，技术水平处于世间；而另外一个缺点在于，如须加工更硬、更难以切割的工件，界同类设备领先地位。工艺实验表明，同美国DWT公司、瑞士则游离磨粒的方式将难以对工件的表面达到预期的切割。M&B的单线切割机的技术指标相比较，无论是从切片质量、效率，还是断线率，性能与国外同类设备相当，部分指标甚至优于国外同类

5、产品。目前已有多家正在使用国外同类设备的用图2切割前后金刚石线变化图为了改善上面的缺点，切割碳化硅等硬度大的材料，固定金刚石磨料线切割技术应运而生，这种加工技术通常是使用电镀的方法将金刚石磨料固着在钢丝表面,加工过程中锯丝上的金刚石直接获得运动速度和一定的压力对硅材料进行磨图4美国DWT单线切割机削加工,相比游离磨料多线锯的“三体加工”,它属于“二体加工”，其加工效率是游离磨料多线锯的数倍以上。金刚石单线切割机以其独特的优势成为第三代半导体硬脆材料和大直径材料切割中不可或缺的一部分。图3游离磨料和固定磨料切割效率对比图3.

6、关键技术描述及实施方法简述JXQ-401单线切割机是以金刚石线作为切割线的一种硬图5DWT单线控制原理示意图2010.0331万方数据半导体材料生长、加工设备MATERIAL户试切材料后表示相当满意，并有强烈的订购意向。JXQ-401单线切割机能够成功研制，其关键在于解决了基于独特的张力反馈技术（发明专利）下的切割线恒张力闭环控制方式，同时配合张力缓冲、自动排线等关键技术。研制成功后，经过大量的切割工艺实验，优化切割工艺参数，图7碳化硅切片表面粗糙度检测数据图8SiC切割晶片显微镜观测图（50倍）建立切割工艺参数库，能够针

7、对不同材料的物理特性均能保证切割质量与切割效率。两个收放线轮、两个张紧轮、两个导向轮组成的布线结构；运行中工作台静止不动，切割线运动整体机构向下运动的切割方式。JXQ-401单线切割机是通过有效的科学计算，数学建模，实验验证并改进优化，全新自主开发设计的整体结构、智能控制、切割方式，有效地解决了金刚石单线切割机的技术难题。主导轮图9SiC切割晶片显微镜观测图（100倍）可同时开6条平行等间距（0.34mm<槽距<1mm）条金刚石线导向槽，可以实现一次多片切割，大大地提等形式的切割，取得了较理想的效果。高了设备的切割效率。在

8、切割实验中，从实验数据分析中可以看出，进给速度对美国DWT公司和瑞士M&B的单线切割机，采用台式的整切片的表面质量，表面粗糙度、TTV值有着直接明显的影响。体结构，在设备研制生产后，先后对碳化硅、蓝宝石、钽酸锂、进给速度在小于0.2mm/min时，能够获得更好的切割表面质铌酸锂、压电陶瓷、玻璃等材料进行